מתאן הידרציה התגבשות על טיפות מים יסילי

Summary

אנו מתארים שיטה ליצירת לחות גז על טיפות מים ססיל כדי לחקור את ההשפעות של מעכבים שונים, מקדמים, ומצעים על מורפולוגיה קריסטל לחות.

Abstract

מאמר זה מתאר שיטה ליצירת קליפות לחות מתאן על טיפות מים. בנוסף, הוא מספק שרטוטים עבור תא לחץ המדורג ללחץ עבודה של 10 MPa, המכיל שלב עבור טיפות סיסיל, חלון ספיר להדמיה, ומתמרים בטמפרטורה ובלחץ. משאבת לחץ המחוברת לצילינדר גז מתאן משמשת ללחץ על התא ל-5 MPa. מערכת הקירור היא מיכל 10 גלון (37.85 ליטר) המכיל תמיסת אתנול 50% מקוררת באמצעות אתילן גליקול דרך סלילי נחושת. התקנה זו מאפשרת התבוננות בשינוי הטמפרטורה הקשורים להיווצרות לחות ודיסוציאציה במהלך קירור ודיכאון, בהתאמה, כמו גם הדמיה וצילום של השינויים המורפולוגיים של הטיפה. בשיטה זו, היווצרות קליפת הידרציה מהירה נצפתה ב ~ -6 °C (50 °F) עד -9 °C (50 °F). במהלך הפחתת לחץ, 0.2 °C (5 °F) ירידה בטמפרטורה נצפתה בעקומת היציבות לחץ / טמפרטורה (P / T) עקב ניתוק לחות exothermic, אושר על ידי התבוננות חזותית של נמס בתחילת ירידת הטמפרטורה. "אפקט הזיכרון" נצפתה לאחר דיכוי ל 5 MPa מ 2 MPa. עיצוב ניסיוני זה מאפשר ניטור של לחץ, טמפרטורה, ומורפולוגיה של טיפה לאורך זמן, מה שהופך את זה שיטה מתאימה לבדיקת תוספים שונים ומצעים על מורפולוגיה hydrate.

Introduction

הידרציה של גז היא כלובים של מולקולות מים מלוכדות מימן שלוכדות מולקולות גז אורחות באמצעות אינטראקציות של ואן דר ואלס. מתאן מעניק לחות נוצר בתנאי לחץ גבוה וטמפרטורה נמוכה, המתרחשים בטבע במים התת-קרקעיים לאורך השוליים היבשתיים, מתחת לאדמה הקצונית הארקטית, ובגופים פלנטריים אחרים במערכת השמש¹. לחות גז מאחסנת כמה אלפי ג'יגה טון של פחמן, עם השלכות חשובות על האקלים והאנרגיה². הידרציה גז יכול גם להיות מסוכן בתעשיית הגז הטבעי כי תנאים נוחים עבור hydrates להתרחש צינורות גז, אשר יכול לסתום את הצינורות המובילים פיצוצים קטלניים ודליפת נפט³.

בשל הקושי ללמוד הידרטות גז במקום, ניסויי מעבדה משמשים לעתים קרובות כדי לאפיין תכונות hydrate ואת ההשפעה של מעכבים ומצעים⁴. ניסויי מעבדה אלה מבוצעים על ידי גידול לחות גז בלחץ גבוה בתאים בצורות וגדלים שונים. המאמצים למנוע היווצרות לחות גז בצינורות גז הובילו לגילוי של מספר מעכבי לחות גז כימי וביולוגי, כולל חלבונים נגד קפיאה (AFPs), פעילי שטח, חומצות אמינו, פוליווינילפירולידון (PVP)^5,6. כדי לקבוע את ההשפעות של תרכובות אלה על תכונות לחות גז, ניסויים אלה השתמשו עיצובים כלי מגוון, כולל autoclaves, גבישים, כורים מעורבבים, ותאי נדנדה, התומכים בנפחים מ 0.2 עד 10⁶ ס"מ מעוקב⁴.

שיטת טיפת ההסתה המשמשת כאן ובמחקרים קודמים^{7,8,9,10,11,12} כוללת יצירת סרט הידרציה גז על טיפת מים sessile בתוך תא לחץ. כלי דם אלה עשויים נירוסטה וספיר כדי להתאים לחצים עד 10-20 MPa. התא מחובר לבלון גז מתאן. שניים ממחקרים אלה השתמשו בשיטת טיפה כדי לבדוק AFPs כמעכבי לחות גז בהשוואה למעכבי לחות קינטיים מסחריים (KHIs), כגון PVP^7,11. Bruusgard ואח '⁷ התמקדו בהשפעה המורפולוגית של מעכבים ומצא כי טיפות המכילות AFPs מסוג I יש משטח חלק יותר, מזוגג מאשר משטח טיפה דנדריטי ללא מעכבים בכוחות נהיגה גבוהה.

Udegbunam ואח '¹¹ השתמש בשיטה שפותחה כדי להעריך KHIs במחקר הקודם¹⁰, המאפשר ניתוח של מורפולוגיה / מנגנוני צמיחה, לחות נוזל-אדי שיווי משקל טמפרטורה / לחץ, וקינטיקה כפונקציה של טמפרטורה. Jung ואח ' למד CH₄-CO₂ תחליף על ידי הצפת התא עם CO₂ לאחר יצירת CH₄ לחות^{פגז 8}. חן ואח ' הבחין אוסטוולד מבשיל כמו קליפת הידרציה צורות⁹. אספינוזה ואח ' למד CO₂ קליפות לחות על מצעים מינרליים שונים¹². שיטת הטיפה היא שיטה פשוטה וזולה יחסית לקביעת ההשפעה המורפולוגית של תרכובות ומצעים שונים על לחות גז ודורש כמויות קטנות של תוספים בשל הנפח הקטן. מאמר זה מתאר שיטה ליצירת קליפות הידרציה כאלה על טיפת מים באמצעות תא נירוסטה עם חלון ספיר להדמיה, מדורג עד 10 לחץ עבודה MPa.

Protocol

1. עצב, אמת ומכונה את תא הלחץ.

1. עצב את התא כדי לאפשר הדמיה ישירה של היווצרות לחות מטפחת מים. ודאו שהתא כולל תא ראשי עם חלון ספיר שקוף וארבע יציאות למפרצון נוזל/גז, שקע, אור וחוטים(איור 1). צור את העיצוב הסופי בתוכנת תכנון הנדסית (איור משלים S1).
2. כדי לבדוק שתא הלחץ בטוח בלחץ גבוה, ערוך ניתוח אלמנט סופי באמצעות תוכנת סימולציה.
   1. הזן את מודל תא הלחץ בגודל מלא מתוכנת העיצוב ההנדסי לתוך תוכנת הסימולציה.
   2. הקצה מודולוס של יאנג של 400 GPa ויחס של פואסון של 0.29 לחלון הספיר.
   3. עבור כל חלקי נירוסטה, להקצות נירוסטה 316 עם מודולוס של יאנג של 190 GPa ויחס פואסון של 0.27.
   4. צעד אחר צעד, החל 0 ל- 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 ו- 10 MPa לחץ אוויר לחלק הפנימי של התא (וידאו S1 משלים וסרטון S2 משלים). התייחס לכל שלב טעינה כבעיה סטטית על-ידי התעלמות מהמונחים תלויי הזמן במשוואות השולטות ושקול עיוות אלסטי בלבד במהלך לחץ.
   5. השתמש בפתרון המשוואה הליניארית הישירה בתוכנת סימולציה כדי לחשב את התפלגות הלחץ ואת העיוות של התא בתנאי לחץ שונים (טבלה משלימה S1 וטבלה משלימה S2).
3. לאחר שעיצוב תא הלחץ מאומת כבטוחים, יש את כל החלקים במכונה בהתבסס על תוכנית תוכנת העיצוב ההנדסי.

2. להרכיב את תא הלחץ (איור 1).

1. בורג ארבעת חוטי הצינור הלאומי מחודדים (NPT) לתוך היציאות המתאימות בתא הלחץ עם קלטת של שרברב.
2. הרכב את יציאת התאורה באמצעות עיצוב השרטוט(איור משלים S1,חלקים C, D ו- E) והתחבר לבורג NPT השמאלי העליון.
3. חבר את מתמר הלחץ ליציאה העליונה NPT באמצעות התאמת טי הענף ומחבר היציאה.
4. חבר את שסתום מחט הכניסה בצד שמאל בורג NPT באמצעות מחבר יציאה מתאים.
5. התקן מחבר חותם לחץ ביציאה הימנית של תא הלחץ. הכנס שלושה חוטי תרמי-תרופל מסוג K דרך מחבר אטם הלחץ עם מרווח של 3 אינץ' בתוך התא ומרווח של 3 אינץ' מחוץ לתא.
6. ללטש את משטח הבמה בניירות סנדוויץ'(איור משלים S1,חלק F).
7. הכנס את התרמו-סקופלים לתוך החורים המתאימים בשלב, כך שהקצוות ישטפו את החלק העליון של הבמה. השתמש טיפה קטנה של דבק בכל חור כדי לתקן את thermocouples במקום ולאפשר להם להתייבש.
8. התאם את הדיסק האקריליק על הקיר האחורי של תא הלחץ כדי לשפר את השתקפות האור. להתאים את הבמה בתא הלחץ.
9. התקן את חלון הספיר.
   1. יש למרוח שומן ואקום על שתי טבעות O אטימת סטטיות (אחת בגודל 1 אינץ' ואחת בגודל 1-1/5 אינץ'). להתאים את O-טבעות לתוך החריצים סביב חור החלון בתא הלחץ.
   2. הכנס את חלון הספיר. לכסות את חלון ספיר עם מכונת כביסה גומי 2-1/4 " ובורג על מכונת הכביסה נירוסטה(איור S1 משלים,חלק B) באמצעות שמונה ברגי נירוסטה M8(איור 2C).

3. להרכיב את הציוד במכסה אדים גדול(איור 2).

הערה: מאחר ומתאן הוא גז דליק תחת לחץ, הרחיק את כל הצינורות וכלי הדם הקשורים למתאן מחום, ניצוצות, להבה פתוחה ומשטחים חמים. הגדירו את כל הציוד בתוך אזור מאוורר היטב (למשל, מכסה המנוע של האדים). דון משקפי בטיחות וחלוק מעבדה לפני שאתה עובד עם גז מתאן.

1. הרימו בזהירות את משאבת הלחץ למכסה אדים גדול מספיק כדי שכל הציודיתאים (איור 2A). הנח את בקר המשאבה על גבי בסיס המשאבה. חבר את בקר המשאבה למשאבה וחבר אותו לרצועת חשמל.
2. הפעל צינור נחושת בגודל 1/4 אינץ' בדירוג בלחץ גבוה מהרגולטור על צילינדר גז המתאן למכסה המנוע ליד חדירת משאבתהלחץ (איור 2A,B).
3. מקם את אוגר הנתונים ליד משאבת הלחץ והגדר את המחשב הנייד על לוגר הנתונים(איור 2A). חבר את שניהם לרצועת חשמל. חבר את לוגר הנתונים למחשב הנייד באמצעות לוגר הנתונים USB.
4. במחשב הנייד, התקן את התוכנה המתאימה כדי לשלוט ביומן הנתונים, במצלמה ובמתמר הלחץ בתא הלחץ.
5. הציבו את האקווריום ליד לוגר הנתונים והנחו ריפוד שאינו שטיפה בתחתית האקווריום כדי להגביל את התנודות לתאהלחץ (איור 2C).
6. באמצעות צינור נחושת חדש 1/4 ", סליל את צינור הנחושת פעמיים לתוך אליפסה כדי להתאים לאקווריום, משאיר מקום לתא הלחץ לשבת בפנים(איור 2D). ודא שה סליל אינו חוסם את חלון הספיר בתא הלחץ. הרם את תא הלחץ באקווריום כדי להציג את חלון הספיר.
7. הניחו את המצנן המסתובב על הרצפה ליד מכסה המנוע האדים(איור 2A). ממלאים את הצ'ילר ב-50/50 v/v אתילן גליקול/מים.
   הערה: מכיוון שאתילן גליקול מסוכן, השתמש בלבוש בטיחות מתאים, כולל כפפות, חלוק מעבדה ומשקפי מגן בעת היציקה.
8. חותכים שני אורכים של צינורות פלסטיק בקוטר פנימי של 3/8 אינץ', כדי לחבר את מפרצון הצ'ילר והשקע לצינור הנחושת מסתיים באקווריום. ודא שיהיה מספיק מרווח עבור בידוד צינור קצף כדי להתאים לפני חיתוך.
9. להחליק את צינורות הפלסטיק דרך בידוד צינור קצף.
10. חברו את צינורות הפלסטיק המבודדים מהכניסה והשקע על המצנן במחזור עד לקצוות סליל הנחושת בתוך האקווריום. אבטחו את האטמים על ידי עטיפת סרט השרברב סביב חלקי המתכת והידוק הקשרים עם מלחצי צינור כונן תולעת. תדליקו את הצ'ילר ותגדירו אותו לתזרים במהירות גבוהה. ודא שאין דליפות.
11. החל איטום מתחת למים סביב סליל נחושת / חיבורי צינורות פלסטיק בתוך האקווריום. תן לאיטום לרפא. עוטפים את האיטום בנייר דבק.
12. התקן צינורות משאבת לחץ(איור 2E).
    הערה: תמיד הידקו חיבורים ידנית לפני השימוש בכלים ולעולם אל תנתקו את חיבורי NPT עם סרט השרברב מכיוון שהם לא יחתמו מחדש היטב.
    1. התקן צינור נירוסטה בגודל 1/8 אינץ' משני צדי משאבת הלחץ עם אביזרי החברה שהגיעו עם המשאבה באמצעות סרט השרברב(איור 2F).
    2. עם בנדר צינור, לכופף את צינור 1/8 " קדימה בזווית של 90 °, כ 2 "מן המשאבה, כדי למנוע כיפוף בחיבור.
    3. עם בנדר צינור, לכופף את צינור 1/8 "כלפי מטה בזווית של 90 °, כ 2 "מן העיקול הראשון.
    4. חבר מתאם "1/8 ל-1/4 אינץ' המתאים לצינור "1/8 משני הצדדים(איור 2G).
    5. חבר צינור 1/4" להתאמת מתאם משני הצדדים.
       הערה: כדי להצמיד את השסתום לצד המשאבה, לקצץ את צינורות 1/4 ", כך שסתום מחובר יישב ליד שני חורי בורג.
    6. התקן את שסתומי המחט 1/4"(איור 2H). אם מדביקים שסתומים למשאבת הלחץ, מכונה צלחת פלדה או פלסטיק עם שני חורים "1/16 לברגים וחור אחד 1/2 " כדי לאבטח בין חיבורי שסתום מחט. הכנס את הצלחת בין חיבורי השסתום ובורג את הצלחת לצד המשאבה.
       הערה: ודא כי חצים על שסתומי המחט מצביעים מלחץ גבוה (בתוך משאבת הלחץ) ללחץ נמוך (מחוץ למשאבת הלחץ).
    7. חבר קצה אחד של צינור נירוסטה קלוע בגודל 1/4 אינץ' אל שסתום השקע במשאבת הלחץ והקצה השני לשסתום הצד של תא הלחץ.
    8. חבר תרמי-אפים מתא הלחץ לערוצי לוגר הנתונים באמצעות ריבוי ערוצים לוגר נתונים. חבר חוט תרמו-סקופ נוסף כדי למדוד את הטמפרטורה של פתרון הטנק ולשים את הקצה השני במיכל.
    9. חבר את מתמר הלחץ בתא הלחץ למחשב הנייד.
    10. הגדר את תא הלחץ בתוך האקווריום, קרוב לחזית, להדמיה ברורה יותר.
13. כדי לבודד את האקווריום, לעטוף את החלק החיצוני של האקווריום עם פיברגלס מרופד בנייר כסף, עם חור / חריץ למצלמה כדי להציג את חלון הספיר של תא הלחץ. לכסות את החלק העליון של האקווריום עם חומר בידוד כדי למנוע אידוי במהלך ניסויים.
    הערה: הימנע מאיטום הדוק של החלק העליון של האקווריום כדי למנוע הצטברות של חום ממקור האור.
14. כדי למנוע עיבוי של אוויר לח בחזית האקווריום, הפעל צינורות פלסטיק מ שסתום האוויר הקרוב ביותר לחזית האקווריום שבו המצלמה תהיה מצביעה כך הצינורות לא יהיה גלוי בתצלומים.
15. הגדר את יחידת מקור האור ליד האקווריום וחבר אותה לרצועת החשמל.
16. הציבו את המצלמה מול האקווריום, כשהעדשה מצביעה לכיוון חלון הספיר. חבר את המצלמה למחשב הנייד ולרצועת החשמל.
17. העלה את כל האלקטרוניקה מפני השטח של מכסה המנוע כדי למנוע נזק פוטנציאלי לדליפה. בדוק שוב שהחשמל מופץ עבור קיבולת החשמל של השקעים.

4. דליפת-לבדוק את תא הלחץ עם מים.

הערה: כדי להבטיח שכל החיבורים היו אטומים כראוי, תבדוק את תא הלחץ עם מים בכל פעם שהתא הורכב מחדש, במיוחד לאחר ניתוק ברגי NPT. זה לא הכרחי לאחר הסרת חלון ספיר או שסתום עליון. מים בטוחים יותר תחת לחץ מאשר גז.

1. פתח את תוכנת מתמר הלחץ במחשב הנייד והתחל לאסוף נתונים במרווח סריקה של 1 s.
2. הפעל את משאבת הלחץ ואת הבקר. לחץ על משאבה A על בקר משאבת הלחץ כדי לפקח על הלחץ.
3. אם יש לחץ במשאבה, להקטין את הלחץ על ידי לחיצה על מילוי מחדש על בקר משאבת הלחץ בעוד הן את הכניסה משאבה שסתומי שקע עדיין סגורים.
4. עם שני שסתומי תא הלחץ פתוח, לפתוח את שסתום שקע המשאבה מעט על ידי ~ 1/16 " כדי לשחרר לאט את הלחץ הנותר.
5. אם מחובר, לנתק את צינור נחושת 1/4 " מן שסתום הכניסה על משאבת הלחץ.
6. חברו 1/4 אינץ' גמיש לשסתום הכניסה של המשאבה באמצעות ערכת אגוזים ופרולה. מניחים את קצה הצינורות בגלון מים.
7. סגור את שסתום השקע של המשאבה ופתח את שסתום הכניסה של המשאבה.
8. לחץ על מילוי מחדש על בקר משאבת הלחץ כדי למלא את בוכנה המשאבה במים.
9. הגדר את תא הלחץ במיכל ריק רדוד מחוץ לאקווריום.
10. מטהרים את האוויר מתא הלחץ עד שהמים יוצאים מהנמל העליון וממלאים את תא הלחץ לחלוטין.
    1. סגור את שסתום הכניסה של המשאבה ופתח את שסתום השקע של המשאבה.
    2. ודא שהשסתומים בתא הלחץ עדיין פתוחים.
    3. הגדר את הזרימה המרבית (המרבית) ל- 100 מ"ל/דקה: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על מגבלות; הקש 3 לזרימה מרבית; הקש 1 כדי להגדיר זרימה מרבית; אגרוף ב 100; הקש Enter.
    4. הקש D כדי להגיע לעמוד הקודם.
    5. הגדר את קצב הזרימה הקבוע ל- 100 מ"ל/ דקה: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על קונסט זרימה; הקש A עבור flowrate; אגרוף ב 100; הקש Enter. לחץ על הפעל.
    6. אם מים לא יוצאים או אם הנפח בוכנה אינו מספיק, למלא את הבוכנה שוב על ידי סגירת שסתום שקע המשאבה, פתיחת שסתום הכניסה משאבה עם צינורות במים, ולחץ על מילוי מחדש. לאחר מכן, לטהר את האוויר על ידי סגירת שסתום הכניסה משאבה, פתיחת שסתום שקע המשאבה, הגדרת קצב הזרימה ל 100, ולחיצה על הפעלה.
    7. ברגע שמים יוצאים מהנמל העליון של תא הלחץ, בדוק אם יש דליפות והידק את כל הקשרים הדולפים. לחץ על עצור. סגור את שסתום שקע תא הלחץ (העליון).
11. לחץ על תא הלחץ.
    הערה: יש להקנות משקפי בטיחות לפני לחיצה על תא הלחץ.
    1. הגדר את מגבלת הזרימה המרבית ל- 10 מ"ל / דקה כדי למנוע לחץ מהיר של התא: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על מגבלות; הקש 3 לזרימה מרבית; הקש 1 כדי להגדיר זרימה מרבית; אגרוף ב 10; הקש Enter.
    2. לחץ על התא ל- 100 kPa: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על קונסט Press; הקש A; אגרוף ב 100; הקש Enter. לחץ על הפעל.
    3. תבדוק אם יש דליפות. אם יש דליפה, לחץ על עצור על בקר המשאבה, הדק את הרכיבים הדולפים, לחץ על הפעלוחזר עד שאין דליפות ב- 100 kPa. ודא שאין דליפות על ידי סגירת שסתום שקע המשאבה וניטור הלחץ של תא הלחץ בתוכנת מתמר הלחץ.
       הערה: אם הלחץ יורד באופן עקבי ואינו תנודה רגילה עקב שינוי בטמפרטורת החדר, יש דליפה.
    4. הגדל את הלחץ במרווחים של 50 kPa מ- 100 kPa ל- 500 kPa, ולאחר מכן במרווחים של 100 kPa מ- 500 kPa ל- 1,000 kPa, ולבסוף במרווחים של ~ 1,000 kPa מ- 1,000 kPa ל - ~ 10,000 kPa. בצע פעולה זו על-ידי שינוי ההגדרה קונסט פרס כבעבר. בין הגדרות הלחץ, סגור את שסתום שקע המשאבה ונטר את הלחץ של התא כמו קודם כדי להבטיח כי הלחץ הוא קבוע. אם הלחץ יורד, יש להדק בזהירות את הרכיבים הדולפים.
12. עם הגעתו 10,000 kPa, לסגור את שסתום שקע המשאבה ולבחון כמה טוב תא הלחץ מחזיק לחץ על פי מתמר הלחץ. כמו ירידה עקבית בלחץ מצביע על דליפה, להדק חיבורים בלחץ נמוך יותר, ~ 1,000 kPa.
13. כדי להוריד לחץ, פתח את שסתום שקע המשאבה והגדר את הלחץ ל-100 kPa. ברגע שמפלס הלחץ מתייצב, פתחו מעט את שסתום שקע תא הלחץ.
14. כדי להסיר מים ממשאבת הלחץ, סגור את שסתום הכניסה של המשאבה, שנה את הזרימה המרבית ואת הגדרות קונסט זרימה ל- 100 מ"ל / דקהולחץ על הפעל עד שהמשאבה ריקה.
15. נתק את הצינורות הגמישים 1/4" ממפזר המשאבה. נתק את ההשתלטות הקלועה מפלדת אל-חלד מתא הלחץ. פתח את שני השסתומים ונקז את המים. הסר את חלון הספיר כדי לאפשר לתא להתייבש לחלוטין.

5. יוצרים קליפת מתאן על משטח הטיפה.

1. הכינו את הציוד.
   1. חבר את וסת צילינדר המתאן למשאבה עם צינור הנחושת "1/4 באמצעות ערכת אגוזים ופרולה חדשה. ודא כי בלון הגז סגור.
   2. תרגול טכניקת החדרת טיפה.
      1. הדבק קצה גמיש, כגון צינורות IV, לחתוך בזווית עד סוף הצינורית כדי לעזור לכוון את הטיפה לכיוון חלון הספיר. חבר מזרק 1 מ"ל לסלסול ומשוך את הנפח הרצוי של מים דה-יאומן (~ 50-300 μL). ללא שסתום המחט או חלון הספיר מחובר, הכנס את קצה הצינורית ליציאה העליונה ותרגל גירוש הטיפה למרכז הבמה. לאחר תרגול החדרת טיפה, להסיר את הטיפה ולייבש את הבמה.
         הערה: בפרוטוקול זה, 250 μL של מים דה-יאומן נלקח לתוך המזרק.
   3. לחבר מחדש את חלון הספיר ואת מכונות הכביסה עם ברגי M8. חבר את צינור נירוסטה קלוע ממשאבת הלחץ לתא הלחץ, ובדוק שוב שכל החיבורים מבלון הגז לתא הלחץ הדוקים. פתח את שסתום הכניסה של תא הלחץ (שסתום צד), והגדר את תא הלחץ באקווריום. הכנס כבל מקור אור סיב אופטי ליציאת תאורת תא הלחץ.
   4. הוסף 50/50 אתנול / מים (v / v) לאקווריום עד שהוא ישר עם החלק העליון של תא הלחץ, ממש מתחת לחיבור מקור האור. ודא שזרימת מכסה המנוע מופעלת. כאשר רמת הפתרון יורדת לפני ניסויים עתידיים בשבועות הבאים, להוסיף אתנול נוסף. החלף את הפתרון מדי חודש.
   5. הגדר את הצ'ילר לטמפרטורה שתשיג ~ 0 °C (5 °F) עד 3 °C (50 °F) בתוך התא (~-4 °C (~-4 °F) ולהתחיל להסתובב דרך סלילים. הפעל את זרימת האוויר לחזית האקווריום כדי למנוע עיבוי על פני האקווריום.
   6. התחל יומן טמפרטורה בתוכנת לוגר הנתונים. הגדר את מרווח הסריקה ל- 30 שניות. המתן עד שהטמפרטורה בתוך תא הלחץ יציבה ב-2 °C (~6-24 שעות).
2. הוסף טיפת מים לתא הלחץ באמצעות תצוגת המצלמה במחשב הנייד.
   1. הפעל את מקור האור ל- ~ 80%. פתח את תוכנת המצלמה. בתצוגה חיה, מקד את עדשת המצלמה בתא הפנימי של התא. התאם את מקור האור להדמיה הטובה ביותר.
   2. התחל יומן טמפרטורה חדש עם מרווח סריקה של 1.
   3. אם מחובר, לנתק את שסתום מחט שקע ביציאה העליונה של תא הלחץ. חבר מזרק 1 מ"ל לסלסול ומשוך את הנפח הרצוי של מים דה-יאומן (~ 50-300 μL).
      הערה: בפרוטוקול זה, 250 μL של מים דה-יעובן נמשכו לתוך המזרק.
   4. הכנס את הצינורית דרך היציאה העליונה עד שהקצה גלוי בתוכנת המצלמה במצב תצוגה חיה. לגרש את טיפת הנוזל מהמזרק מעל thermocouple המרכזי. לחבר מחדש את שסתום המחט.
3. מקד את המצלמה בטירה בתא הלחץ. התחל הדמיה בזמן לשגות כל ~ 60 s.
4. פתח את תוכנת מתמר הלחץ במחשב הנייד והתחל לאסוף נתונים בתרשים וביומן הנתונים במרווח סריקה של 1 s (זהה למרווח סריקת הטמפרטורה). המתן עד טמפרטורת טיפת יציב בין 0-3 °C (5 °F).
5. לחץ על תא הלחץ ללחץ הרצוי.
   הערה: יש להדגיש את משקפי הבטיחות לפני לחיצה על התא.
   1. הפעל את המשאבה ואת הבקר. סגור את שסתום הכניסה של משאבת הלחץ.
   2. פתח את שסתום השקע של המשאבה ואת השסתומים של תא הלחץ.
      הערה: שסתום הכניסה של תא הלחץ צריך תמיד להיות פתוח.
   3. תלחץ על המשאבה על ידי לחיצה על אפס על בקר משאבת הלחץ. בחר משאבה A בבקר משאבת הלחץ כדי לפקח על הלחץ.
   4. ודא כי משאבת הלחץ ריקה אם נוזל אחר מלבד גז מתאן היה נוכח במשאבה. בצע זאת על-ידי הגדרת הזרימה המרבית וזרימת קונסט ל- 100 מ"ל/דקה והקשה על הפעלה. תשאיר את זה פועל עד שהמשאבה ריקה. סגור את שסתום שקע המשאבה ופתח את שסתום הכניסה של המשאבה.
   5. פתח את בלון הגז והגדר את רגולטור ציליוני הגז ל-1,000 קמ"ש.
   6. לחץ על מילוי מחדש על בקר משאבת הלחץ. כאשר המשאבה מלאה וקרובה ל-1,000 kPa, סגור את שסתום הכניסה של המשאבה ואת גליל הגז.
   7. פתוח מעט (~ 1/16 " סיבוב) שסתום שקע המשאבה לתא. לפקח על לחץ תא הלחץ בתוכנת מתמר הלחץ כמו הלחץ עשוי לרדת בשל הטמפרטורה הנמוכה יחסית בתא הלחץ.
   8. הגדר את הזרימה המרבית ל- 10 מ"ל / דקה: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על מגבלות; הקש 3 לזרימה מרבית; הקש 1 כדי להגדיר זרימה מרבית; אגרוף ב 10; הקש Enter.
   9. הגדר את הלחץ המרבי ל 5,000 kPa: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על מגבלות; הקש 1; אגרוף ב 5000; הקש Enter.
   10. הגדר את הלחץ המתמיד ל 1,000 kPa: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על קונסט Press; הקש A; אגרוף ב 1000; הקש Enter. לחץ על הפעל.
   11. כאשר מגיעים ל- 1,000 kPa, לחץ על עצור בבקר המשאבה וסגור את שסתום השקע של המשאבה. לפקח על הלחץ בתא הלחץ כדי להבטיח שאין דליפות. אם הלחץ יורד, השתמש בגלאי הדליפה הנוזלית כדי למצוא את הדליפה בחיבורים ולהדק בזהירות את הרכיבים הדולפים.
   12. אם התא יציב, פתח את שקע המשאבה והגדר את קונסט Press ל- 2,000 kPa. לחץ על עצור ופקח. אם יציב ב 2,000 kPa, להגדיר קונסט Press ל 3,000 kPa. לחץ על עצור ופקח. אם יציב ב 3,000 kPa, להגדיר קונסט Press ל 4,000 kPa. לחץ על עצור ופקח. אם יציב ב 4,000 kPa, להגדיר קונסט Press ל 5,000 kPa. לחץ על עצור ופקח.
   13. אם הלחץ יציב, סגור את שקע המשאבה.
       הערה: אם נפח המשאבה אוזל, סגור את שקע המשאבה ופתח מעט את פתח המשאבה. פתח לאט את בלון הגז והגדר את וסת הגז ל-1,000 קמ"ש. לחץ על מילוי מחדש בבקר המשאבה. כאשר המשאבה מתמלאת מחדש, סגור את גליל הגז ואת פתח המשאבה. לחץ על המשאבה כדי להתאים ללחץ תא הלחץ.
   14. המתן ~ 12-24 שעות לגז כדי לחלחל טיפה.
6. תגרם את קליפת הלחות באמצעות קרח יבש.
   1. החליפו את זמן ההפסקה כדי לצלם תמונות כל 2-5 s.
   2. מוסיפים קרח יבש לחלק העליון של התא עד שמעטפת הלחות נראית בזמן.. אם הקרח היבש מחליק, הדבק סרט הדבקה סביב החלק העליון של התא.
7. שים לב להתקדמות של היווצרות לחות מתאן באמצעות תמונות זמן לשגות עבור ~ 2-6 שעות.
8. הפחתת לחץ התא ל 2,000 kPa על ידי פתיחת שקע המשאבה והגדרת קונסט Press ל 2,000 kPa. הערה כאשר מתרחשת היתוך.
   הערה: מבעבע בטיפת הססיל עלול להתרחש עקב בריחת הגז המומס.
9. לאחר ~ 30 דקות, להדחיק את תא הלחץ ל 5,000 kPa כדי לצפות את אפקט הזיכרון. שים לב כאשר קליפת הידרציה מתחילה לבצע רפורמה. אפשר למעטפת להיווצר במשך ~ 30 דקות עד 2 שעות.
10. הפחתת לחץ על התא על-ידי פתיחת שקע המשאבה והגדרת ההעיתונות של קונסט ל- 0 kPa. אם יש לחץ שיורית בתא הלחץ, פתחו מעט את שסתום תא הלחץ על ידי ~ 1/16 ".
11. שמור את נתוני הלחץ והטמפרטורה כקבצים .csv.
12. הסר את טיפה על ידי הסרת שסתום תא הלחץ העליון כמו קודם וחילץ טיפה עם מזרק / צינורית / IV. אם יש חשש לזיהום בין הניסויים, להסיר את חלון הספיר ולחטא את הבמה ולהחליף את שומן ואקום. השתמש בכוס יניקה כדי להסיר את חלון הספיר לאחר שתא הלחץ התחמם לטמפרטורת החדר.

6. לנתח את הנתונים.

1. פתח את הטמפרטורה והלחץ .csv קבצים.
2. הפוך גיליון אלקטרוני חדש. העתק את עמודות הזמן והלחץ מהלחץ .csv ואת הזמן והטמפרטורה מקובץ .csv הטמפרטורה לגיליון האלקטרוני החדש.
3. הפוך את החלקת פיזור עם הזמן על ציר x ושני צירי y עם טמפרטורה ולחץ(איור S2 משלים).
4. צור עוד שתי עמודות עבור עקומת היציבות של הלחות. בעמודה הראשונה, הזן את הטמפרטורות מ- 273.15 K ל- ~ 279.15 K במרווחי זמן של 0.1 K. בעמודה השנייה, חשב את הלחץ באמצעות נוסחה (1) מסלואן וקו¹³.
   P [kPa] = exp(a+b/T [K]) כאשר a = 38.98 ו- b = -8533.80 (1)
5. הפוך חלקת פיזור של גבול יציבות לחות, עם טמפרטורה (K) על ציר x ולחץ (kPa) על ציר y. הוסף סדרה שנייה על חלקת הפיזור עם טמפרטורה ניסיונית ולחץ על צירי x ו- y, בהתאמה (איור 4).
6. הערה על הגרפים שבהם מעטפת הידרציה הפכה גלויה, על פי הדמיה זמן-לשגות.

7. לשמור על הציוד.

1. תמלא את תמיסת הטנק באתנול לפני כל ניסוי שיחליף אתנול מתאדה. החלף לחלוטין את פתרון הטנק מדי חודש.
2. החליפו את טבעות ה-o ומכלית הכביסה מגומי כל חודשיים של שימוש קבוע.
3. החלף חיבורי יציאות אם מתרחשת דליפה מתמשכת שאינה קבועה על-ידי הידוק.

תוצאות

בשיטה זו, מעטפת הידרציה גז על טיפה ניתן לפקח חזותית דרך חלון ספיר של תא הלחץ ובאמצעות טמפרטורה ומתמרי לחץ. כדי nucleate מעטפת הידרציה לאחר לחיצה על 5 MPa, קרח יבש ניתן להוסיף לחלק העליון של תא הלחץ כדי לגרום להלם תרמי כדי לעורר התגבשות הידרציה מהירה. יש הבדל מורפולוגי ברור על היווצרות קליפת הידרצי...

Discussion

פיתחנו שיטה ליצירת קליפות לחות מתאן על טיפות מים ססיל בבטחה ולשתף שיטה זו למכונה ולהרכיב תא לחץ המדורג ללחץ עבודה של 10 MPa, כמו גם את מערכות הלחץ והקירור. תא הלחץ מצויד בשלב לטיפה המכילה תרמי-קופלים מוטבעים, חלון ספיר להדמיית הטיפה, ומתמר לחץ קבוע לחלק העליון של התא. מערכת הקירור כוללת אתילן ג...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
CAMERA AND LAPTOP
Camera Body	Nikon	D7200	Name in Protocol: camera
Camera Control Pro 2 Software	Nikon		Name in Protocol: camera software
Laptop	HP Pavilion	hp-pavilion-laptop-14-ce0068st	Needs to be PC with plenty of storage (~ 1 Tb) Name in Protocol: laptop
Macrophotography Lens	Nikon	AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens	Name in Protocol: lens
CONSUMABLES
Deionized water			Name in Protocol: DI water
Dry Ice	VWR or grocery store		Buy just before nucleation Name in Protocol: dry ice
Ethanol			Name in Protocol: ethanol
Ethylene Glycol			Name in Protocol: ethylene glycol
COOLING SYSTEM
1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25 ft. Polyethylene Tubing	Everbilt	Model # 301844	For circulating coolant from chiller to copper coils in aquarium Name in Protocol: 3/8” (inner diameter) plastic tubing
Circulating chiller	Polyscience		Name in Protocol: chiller
Economical Flexible Polyethylene Foam Pipe Insulation	McMaster-Carr	4530K162	3/4" thick wall; 1/2" inner diameter; R Value 3; 6' long Name in Protocol: foam pipe insulation
Plastic tubing			use any tubing that fits the airline connection in the lab and long enough to travel from the airline connection to the front of the aquarium
DATALOGGER
Armature Multiplexer Module for 34970A/ 34972A, 20-Channel	Keysight Technologies	34901A	Name in Protocol: datalogger multichannel
Benchvue or Benchlink software	Benchvue or Benchlink		Name in Protocol: temperature transducer software
Data Acquisition/Switch Unit. GPIB, RS232	Keysight Technologies	34970A	Name in Protocol: datalogger
USB/GPIB interface	Keysight Technologies	82357B	Name in Protocol: datalogger USB
datalogger multichannel
Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light Source	Schott Fostec	A20500	3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W Name in Protocol: light source unit
Schott Fostec light source guide - single bundle	Schott Fostec	A08031.40	Name in Protocol: fiber optic light source cable
METHANE GAS AND REGULATOR
1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil	Everbilt	Model # D 04020PS	For pressurizing ISCO pressure pump. An additional pack is needed for coolant circulation, as listed below. Name in Protocol: high pressure-rated 1/4” copper pipe
Methane cylinder regulator	Airgas	Y11N114G350-AG	Name in Protocol: methane cylinder regulator
Methane gas cylinder	Airgas	ME UHP300	Name in Protocol: methane gas cylinder
PRESSURE PUMP
1/4 in.  flexible tubing, ~ 3 ft.			Connect to pump inlet for leak test Name in Protocol: 1/4"  flexible tubing
260D Syringe Pump W/Controller	Teledyne Instruments Inc.	67-1240-520	Name in Protocol: pressure pump
Controller − Ethernet/USB	Teledyne Instruments Inc.	62-1240-114	Purchase if you would like to install Labview onto computer and control pressure pump remotely. We did not do this.
Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/4" OD, 0.035" Wall Thickness, 1 Foot Long (x5)	McMaster-Carr	89785K824	Name in Protocol: 1/4" pipe
Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/8" OD, 0.02" Wall Thickness, 1 Foot Long (x4)	McMaster-Carr	89785K811	Name in Protocol: 1/8" pipe
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Reducing Union, 1/4 in. x 1/8 in. Tube OD (x4)	Swagelok	SS-400-6-2	Name in Protocol: 1/8” to 1/4” adapter
PRESSURE CELL
316 Stainless Steel Nut and Ferrule Set (1 Nut/1 Front Ferrule/1 Back Ferrule) for 1/4 in. Tube Fitting (20)	Swagelok	SS-400-NFSET	Used for fitting connections where necessary Name in Protocol: ferrule set
316L Stainless Steel Convoluted (FM) Hose, 1/4 in., 316L Stainless Steel Braid, 1/4 in. Tube Adapters, 60 in. (1.5 m) Length	Swagelok	SS-FM4TA4TA4-60	Connects pressure pump to pressure cell Name in Protocol: 1/4" braided stainless steel flexible pressure-rated hose
ABAQUS	ABAQUS FEA		Name in Protocol: simulation software
Abrasion-Resistant Cushioning Washer for 7/8" Screw Size, 0.875" ID, 2.25" OD, packs of 10 (x1)	McMaster-Carr	90131A107	Name in Protocol: 2.25" rubber washer
Abrasion-Resistant Sealing Washer, Aramid Fabric/Buna-N Rubber, 3/8" Screw Size, 0.625" OD, packs of 10 (x1)	McMaster-Carr	93303A105	Used for illumination port
Acrylic Sheet | White 2447 / WRT31 Extruded Paper-Masked (Translucent 55% (0.118 x 12 x 12)	Interstate Plastics	ACRW7EPSH	Machine a circle of acrylic to fit in the inner chamber of the pressure cell to serve as the background for imaging Name in Protocol: acrylic disc
AutoCAD	AutoCAD		Name in Protocol: engineering design software
Conax fitting	Conax Technologies	311401-011	TG(PTM2/)-24-A6-T, OPTIONAL 1/4" NPT Name in Protocol: pressure seal connector
High Accuracy Oil Filled Pressure Transducers/Transmitters for General industrial applications (x2)	Omega Engineering, Inc.	PX409-3.5KGUSBH	Buy two so there is a backup. Name in Protocol: pressure transducer
HIGH PRESSURE CHAMBER  PARTS	Wither Tool, Die and Manufacturing Company		Machining for pressure cell parts as listed in CAD drawings (Figure S1) Name in Protocol: Part B = stainless steel washer
High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M5 x 0.80 mm Thread, 14 mm Long (x20)	McMaster-Carr	90037A119	Used for illumination port
High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M8 x 1.25 mm Thread, 25 mm Long (x20)	McMaster-Carr	90037A133	Name in Protocol: M8 stainless steel screws
Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 120, packs of 50 (x1)	McMaster-Carr	5308T178	Name in Protocol: 1" o-ring
Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 128, packs of 50 (x1)	McMaster-Carr	5308T186	Name in Protocol: 1.5" o-ring
Omega Inc. pressure transducer software	Omega Engineering, Inc.		Name in Protocol: pressure transducer software
Polycarbonate Disc	McMaster-Carr	8571K31	Listed in CAD drawings for illumination port, Fig. S1 Part E
Sapphire windows (x3)	Guild Optical Associates, Inc.	Optical Grade Sapphire Window, C-Plane Diameter: 1.811” ±.005” Thickness: .590” ±.005” Surface Quality: 60/40 Edges ground and safety chamfered	Buy three so there are two backups. Name in Protocol: sapphire window
Solid Thermocouple Wire FEP Insulation and Jacket, Type K, 24 Gauge, 50 ft. Length (x1)	McMaster-Carr	3870K32	Name in Protocol: thermocouples
Stainless Steel Integral Bonnet Needle Valve, 0.37 Cv, 1/4 in. Swagelok Tube Fitting, Regulating Stem (x4)	Swagelok	SS-1RS4	Two will be used for the pressure pump as well. Name in Protocol: 1/4" needle valves
Stainless Steel Pipe Fitting, Hex Nipple, 1/4 in. Male NPT (x2)	Swagelok	SS-4-HN	Used for illumination port
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Female Branch Tee, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Female NPT (x2)	Swagelok	SS-400-3-4TTF	Used with pressure transducer Name in Protocol: branch tee fitting
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Male Connector, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Male NPT (x4)	Swagelok	SS-400-1-4	Used on top port and side port leading to needle valves Name in Protocol: NPT screws
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Port Connector, 1/4 in. Tube OD (x8)	Swagelok	SS-401-PC	Use as tube connections between NTP and valve connections Name in Protocol: port connector fitting
TANK
1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil	Everbilt	Model # D 04020PS	For circulating coolant Name in Protocol: 1/4" copper pipe
10 gallon aquarium	Tetra		Name in Protocol: 10 gallon tank
2 oz. Waterweld	J-B Weld	Model # 8277	Name in Protocol: underwater sealant
3 in. x 25 ft. Foil Backed Fiberglass Pipe Wrap Insulation	Frost King	Model # SP42X/16	For wrapping around aquarium Name in Protocol: foil-lined fiberglass
3/8 7/8 in. Stainless Steel Hose Clamp (10 pack)	Everbilt	Model # 670655E	Name in Protocol: worm drive hose clamps
Styrofoam			Name in Protocol: insulating material
TOOLS
1-1/8 in. Ratcheting Tube Cutter	Husky	Model # 86-036-0111
1/2 in. to 1 in. Pipe Cutter	Apollo	Model # 69PTKC001
Adjustable wrench (x2)	Steel Core	Model # 31899	Need two wrenches with jaw at least 1"
Allen wrench set	Home Depot
Duct tape			Name in Protocol: duct tape
Flexible tubing, like an IV line, to fit on the end of grainger probe (canula)			Name in Protocol: IV tube
Grainger 18 gauge probe	Grainger		For inserting droplet Name in Protocol: cannula
High Vacuum Grease	Dow corning		Apply to o-rings before inserting sapphire window Name in Protocol: vacuum grease
Klein Tools Professional 90 Degree 4-in-1 Tube Bender	Klein Tools	Model # 89030	Name in Protocol: tube bender
Snoop liquid leak detector	Swagelok	MS-SNOOP-8OZ	To detect leaks when pressurized when methane Name in Protocol: liquid leak detector
Suction cup	Home Depot		For removing tight fitting sapphire window Name in Protocol: suction cup
Teflon Tape			Name in Protocol: plumber's tape
Temflex 3/4 in. x 60 ft. 1700 Electrical Tape Black	3M	Model # 1700-1PK-BB40	Name in Protocol: electrical tape